以增材思維為核心的先進設(shè)計與智能制造

來源：安世亞太

增材制造是指基于類似數(shù)學(xué)微積分的離散-堆積原理,，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動和計算機自動控制實現(xiàn)精確可控的，逐層增加材料直接制造零件的數(shù)字制造技術(shù),。相比減材和等材制造,，增材制造無模具、無工裝,，但它絕不僅僅是一種新的制造加工工藝方法,，而是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命中將會改變?nèi)祟惿�產(chǎn)方式和生活方式的重要引擎和顛覆性技術(shù)體系。這種顛覆性體現(xiàn)在,，除了這種新的制造工藝自身帶來的優(yōu)勢以外,，更重要的是，它實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計,、高性能材料制備,、復(fù)雜構(gòu)件制造的一體化，并為宏觀上的結(jié)構(gòu)設(shè)計和微觀上的材料制備帶來革命性的變化,。

增材制造技術(shù)背后的增材思維是一場設(shè)計的革命,，它完全打開了設(shè)計枷鎖，DFM（制造）,、DFA（裝配）等基于減材制造的傳統(tǒng)設(shè)計方法少有用武之地,，設(shè)計人員可以真正回歸用戶需求，進行面向功能的設(shè)計（DFF）或面向增材制造的設(shè)計（DFAM）,，按照價值,、功能和能量的觀點，使設(shè)計與工藝,、設(shè)計與制造之間不再是因果與順序關(guān)系而是互為激勵的活系統(tǒng),，以效法自然的方式實現(xiàn)大型/超大型構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、復(fù)雜/超復(fù)雜構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng),、多品種小批量個性化產(chǎn)品的低成本創(chuàng)新設(shè)計和快速制造,，乃至創(chuàng)造超常結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超常功能。

安世亞太經(jīng)過多年基于對系統(tǒng)工程,、產(chǎn)品正向設(shè)計和仿真分析的實際應(yīng)用經(jīng)驗,，結(jié)合增材行業(yè)應(yīng)用的深刻題解，脫胎于資源全局優(yōu)化配置的創(chuàng)新商業(yè)模式,，提出了基于正向設(shè)計和增材制造的高端研發(fā)與先進制造整體解決方案,，為《中國制造2025》中的設(shè)計制造一體化提供可落地實施的解決方案。

1 技術(shù)架構(gòu)   
基于正向設(shè)計和增材制造的高端研發(fā)與先進制造整體解決方案的技術(shù)架構(gòu)參照了錢學(xué)森在系統(tǒng)觀點指導(dǎo)下1980年代初提出的“三個層次一座橋梁”的現(xiàn)代科學(xué)學(xué)科體系一般框架,，包括基礎(chǔ)學(xué)科層——系統(tǒng)工程,、數(shù)學(xué)、物理學(xué),、材料學(xué)等,，信息化使能環(huán)境——面向數(shù)字主線和數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)協(xié)同,、基于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的云制造，技術(shù)學(xué)科層——TRIZ及技術(shù)創(chuàng)新和管理,、拓撲優(yōu)化,、工程仿真、知識工程,，工程技術(shù)層——基于系統(tǒng)工程面向增材制造的產(chǎn)品材料工藝一體化設(shè)計方法學(xué),、及其流程體系組合配置而成的正向設(shè)計咨詢體系、先進制造工藝融合優(yōu)選咨詢體系,、先進材料制備研備服務(wù)體系,，工程實踐層——面向工業(yè)品的解決方案體系（如飛機、航空發(fā)動機,、汽車,、模具等）、面向產(chǎn)業(yè)鏈的解決方案體系（如創(chuàng)業(yè)者,、消費者,、高等教育和職業(yè)培訓(xùn)等公共事業(yè)、文創(chuàng),、建筑等）,、面向工業(yè)化和信息化的產(chǎn)品體系（工藝和材料設(shè)備、軟件工具和平臺等）,核心內(nèi)容為：

圖1 基于正向設(shè)計和增材制造的高端研發(fā)與先進制造整體解決方案技術(shù)架構(gòu)

2流程體系   
面向增材制造的設(shè)計的總體流程如圖2所示,。這一流程涵蓋了產(chǎn)品的需求分析,、架構(gòu)設(shè)計、詳細設(shè)計等過程,。在實際應(yīng)用時,，需要將這一指導(dǎo)性流程與雙V模型的系統(tǒng)工程過程框架進行結(jié)合,。圖3給出了基于德國標(biāo)準(zhǔn)機械產(chǎn)品系統(tǒng)化設(shè)計VDI 2221的面向增材制造的設(shè)計流程,，可以認為這是圖2按VDI 2221在研發(fā)階段上的具體化。

支撐上述面向增材制造設(shè)計頂層流程的是若干專業(yè)化子流程,，如基于MBSE的系統(tǒng)建模,、拓撲優(yōu)化及仿真和創(chuàng)成設(shè)計一體化流程（圖4），面向增材制造的創(chuàng)成設(shè)計流程（圖5）等,。

圖2 面向增材制造的設(shè)計方法的總流程

基于VDI 2221的增材制造設(shè)計流程見下圖3：

圖3 基于VDI 2221的增材制造設(shè)計流程

正向設(shè)計和增材制造結(jié)合的解決方案,，應(yīng)用于工程海量數(shù)據(jù)、工業(yè)大數(shù)據(jù),、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)等不同種類的數(shù)據(jù)整合,、分析、挖掘,、展示場景,，應(yīng)用于產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)的管理,、融合和協(xié)同，應(yīng)用于知識管理,、知識工程,、各種專業(yè)數(shù)據(jù)庫/知識庫建設(shè)，乃至應(yīng)用于集團企業(yè)的商業(yè)智能和戰(zhàn)略決策等,。

圖4 面向增材制造的云設(shè)計制造模式下的數(shù)據(jù)層服務(wù)示例

3 成功案例   
1,、機器人手臂增材正向設(shè)計案例

圖5是機器人手臂拓撲優(yōu)化

增材設(shè)計效果以及通過實際增材打印進行試驗的情況見圖6：

圖6 機器人手臂增材設(shè)計效果及實際試驗情況

2、分流器封蓋增材正向設(shè)計案例

分流器封蓋有相應(yīng)的設(shè)計輸入和要求：

• 載荷：1.5 g加速度,，極限載荷1kg
• 目標(biāo)：精密高剛度放置,，降低質(zhì)量
• 目的：優(yōu)化剛度
  

圖7 分流器封蓋增材正向設(shè)計

增材設(shè)計效果以及通過實際增材打印進行試驗的情況見圖8：

圖8 分流器封蓋設(shè)計效果及實際試驗情況

4 結(jié)論
增材制造與傳統(tǒng)制造的關(guān)系，可以類比為經(jīng)典物理和原子物理的關(guān)系,，增材制造未來的發(fā)展也必定像原子物理,、量子物理一樣有著廣闊而深遠的前景�,；�于增材思維的先進制造技術(shù)體系正是中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的“第二種機會窗口”,，使得我們有可能換道超車。增材思維是一場回歸設(shè)計本質(zhì),、打破思維定勢,、釋放設(shè)計自由度和激發(fā)創(chuàng)造力的革命；這場革命不僅是制造的革命,，更是設(shè)計的革命,，針對的不僅是產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計人員，而是全體民眾,�,；�于正向設(shè)計和增材制造的高端研發(fā)與先進制造整體解決方案正是安世亞太對“弘揚精益精神，創(chuàng)造智慧工業(yè)”這一初心和愿景的最新詮釋,。